Effects of Oxygen Flow during Fabrication by Magnetron Sputtering on Structure and Performance of Zr-Doped HfO2 Thin Films

材料科学 薄膜 铁电性 溅射沉积 溅射 兴奋剂 分析化学(期刊) 锡 电极 光电子学 纳米技术 电介质 冶金 化学 色谱法 物理化学
作者
Yingxue Xi,Lei Liu,Jiwu Zhao,Xinhui Qin,Jin Zhang,Changming Zhang,Weiguo Liu
出处
期刊:Materials [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:16 (16): 5559-5559 被引量:7
标识
DOI:10.3390/ma16165559
摘要

Oxygen defects in Hafnium Oxide (HfO2)-based ferroelectric thin films not only are related to the cause of ferroelectricity but also affect the ferroelectric properties of the thin films. This paper, therefore, focuses on the fabrication of Zr:HfO2 thin films by RF (Radio Frequency) magnetron sputtering with Zr-doped HfO2 as the target and examines how oxygen flow impacts the oxygen vacancies and electrical properties thereof. Additionally, TiN thin-film electrodes were prepared by direct current (DC) magnetron reactive sputtering using nitrogen as the reaction gas, the influences of the substrate temperature on the film deposition rate and crystal phase structure were investigated, and the resultant thin-film electrodes with the lowest resistivity were obtained. Furthermore, the ferroelectric hysteresis loop and leakage current density of metal–insulator–metal (MIM) ferroelectric capacitors formed by annealing the 30 nm thick deposited Zr:HfO2 sandwiched between the top and bottom TiN electrodes were measured. The results demonstrate that varying oxygen flow has a considerable effect on oxygen vacancies and the Zr doping concentration of deposited Zr:HfO2 ferroelectric thin films. When the oxygen flow is set to 40 sccm (standard cubic centimeters per minute) and an external electric field strength of 2 mV/cm is applied, the remnant polarization reaches 18 μC/cm2, with a decrease in the leakage current density of 105–6 orders of magnitude.
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